半自动扭矩耦合装置的制作方法

本发明涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探装置领域，尤其是一种半自动扭矩耦合装置。

背景技术：

定向井、长水平段水平井、大斜度井、大位移井等复杂结构井的钻井过程中，地面设备产生的扭矩沿钻柱传递至井底钻头，驱动钻头旋转破岩，复杂结构井的钻井主要是由滑动钻进和复合钻进两种钻井方式相互结合完成的。稳斜井段主要是复合钻进，即钻具组合整体旋转，此时钻柱与井壁之间的摩擦副属于滚动摩擦，摩阻力较小，有利于快速钻进；导向井段的钻进方式，国内主要采用由泥浆马达为动力的滑动钻井系统实施钻井作业，动力钻具带动钻头旋转破岩，钻柱本身并不旋转，但由于自重的作用平躺在井底，钻柱与井壁之间的摩擦副属于滑动摩擦，导致摩阻力较大难以对钻头有效施加钻压，造成“脱压”现象，影响了钻井效率。国外由于拥有旋转导向钻井技术，已经能够完全克服导向钻井时的摩阻问题，国内正积极开展旋转导向钻井技术的研究，但是因为国外的技术垄断以及关键部件的限制，目前还没有成功工业化应用，仅依靠进口或租用国外公司的产品，大大增加了钻井综合成本。虽然国内的复杂结构井钻井工艺技术难以实现钻具组合整体旋转导向的工艺，但基于复杂结构井钻井工艺的原理，可采用一部分钻具组合旋转另一部分钻具组合不旋转（即滑动）的方法进行钻进，也能大幅降低钻井过程中的摩擦阻力，减小“脱压”的影响，这种方法的功效介于常规钻井工艺技术与先进旋转导向钻井工艺技术之间，即比常规工艺技术能够进一步降低摩擦阻力，提高钻井效率，又比旋转导向钻井工艺节省成本，是一种非常适合于国内现有技术装备条件的实用性工艺技术。通过上述分析可知，既具在井下有能将钻具组合的扭矩实时连接与断开的功能，又具有不间断传递轴向力功能的装置，是实现上述工艺的关键。因此，急需设计一种地面精确遥控，又能满足复杂结构井钻井工艺要求的自动扭矩耦合装置，同时还要结构简单、成本低廉、维护方便。

技术实现要素：

本发明的目的是为了最大限度减小摩擦阻力的影响，在没有旋转导向钻井设备的条件下，充分发挥现有泥浆动力马达的功能，变常规全滑动钻井方式为部分旋转钻井方式，提高导向钻井施工作业的效率，降低钻井成本，进一步提高定向井、长水平段水平井、大斜度井、大位移井等复杂结构井的井身质量及钻井安全性，为石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的施工现场提供一种半自动扭矩耦合装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1.半自动扭矩耦合装置，包括上壳体1、防护装置2、压力传感装置4、步进电机5、传动轴7、花键轴11和下壳体14，其中：上壳体1和下壳体14同轴旋转密封连接后构成外壳体，在上壳体1中段设有内凸沿，内凸沿下方的上壳体1和下壳体14结合部的内壁设有花键槽；防护装置2为上端封闭、下端开口的桶状体，在其下端内射凸沿，防护装置2外部通过肋板6固定在上壳体1内凸沿上方，防护装置2与上壳体1之间形成导流通道，在防护装置2的顶部或外侧部开设传压孔3；压力传感装置4和步进电机5固定在传压孔3下方的防护装置2内部；传动轴7连接在步进电机5的下端；花键轴11上部设外凸沿和内盲板，其外凸沿与防护装置2下端内凸沿轴向限位配合，内盲板与传动轴7轴向向限位配合，中部设有旁通孔9，旁通孔将防护装置2与上壳体1之间的导流通道和花键轴11盲板下方的中心通孔贯通，花键轴11与传动轴7结合部采用螺旋副配合，花键轴11下部是扩径段，扩径段外壁设有花键，花键与上壳体1和下壳体14结合部内壁的花键槽构成插接配合。

上述方案进一步包括：

上壳体1与下壳体14之间通过轴承12连接构成旋转密封配合。

下壳体14的花键槽顶部加工花键导入体15。

在花键轴11与防护装置2、上壳体1和下壳体14对合部分别安装密封装置。

传动轴7与花键轴11的空间充满润滑油。

上壳体1与下壳体14的接触面均镶嵌防磨片。

本发明的半自动扭矩耦合装置在复杂结构井钻井过程中，半自动扭矩耦合装置根据钻井设计安装在钻具组合中，当在稳斜井段进行复合钻进时，地面操作人员利用钻井泵向钻具组合内输入具有压力脉冲频率特征的钻井液，钻井液进入半自动扭矩耦合装置时，依次经过防护装置与上壳体之间的环空、花键轴旁通孔、花键轴内部中心孔、下壳体，然后流向下部钻具，最终达到井底钻头，与此同时，钻井液中含有的压力脉冲信号经过传压孔传递至压力传感装置，压力传感装置接收到信号后，触发步进电机转动，进而驱动传动轴转动，由于传动轴与花键轴之间是螺旋副配合，因此花键轴开始向下移动，在下壳体花键导入体的导入作用下，花键轴进入下壳体花键，花键轴与上壳体之间也是花键配合，花键轴上部与防护装置之间设计有防脱结构，当防脱结构接触时，即花键轴下行至下止点，花键轴与下壳体花键之间实现完整配合，同时花键轴上旁通孔的过流面积被上壳体内部构件遮挡而减小，但没有完全关闭，过流面积的减小会造成钻井液流动压力的增加，地面钻井泵压力升高，根据这个现象就能判断半自动扭矩耦合装置处于闭合状态，而上部钻具传递的扭矩就经过上壳体、花键轴、下壳体三者之间构成的花键副传递至下部钻具，进而驱动钻头旋转破岩，且上部钻具的轴向力也通过上壳体、上壳体与下壳体之间的轴承、下壳体传递至下部钻具直至钻头；在导向井段进行滑动钻进时，按照相同的操作方法，只是操作人员利用钻井泵输入的钻井液中包含的压力信号不同，半自动扭矩耦合装置内的压力传感装置接收到信号后，触发步进电机驱动传动轴反向转动，带动花键轴向上移动，当花键轴上移至上止点时，花键轴与下壳体花键脱离，配合解除，花键轴上的旁通孔完全打开，钻井液流动压力降低，地面钻井泵压力减小，从而能够判断半自动扭矩耦合装置处于分离状态，由于上壳体与下壳体之间安装轴承，因此上壳体相对下壳体可独立转动，即半自动扭矩耦合装置不能将上部钻具的扭矩传递至下部钻具，但仍能继续传递轴向力，此时上部钻具实现旋转钻进，而下部钻具实现滑动钻进，达到了既保持导向工具面稳定不变，又减小钻井摩擦阻力的目的。

现场井下测试结果表明，利用半自动扭矩耦合装置能够平均提高钻井效率75.6%-96.8%，且钻井质量符合设计标准，达到了在国内现有装备和工艺技术基础上，低成本、高效率完成复杂结构井钻井施工的目的，打破了国外技术垄断，对于提高我国复杂结构井钻井工艺技术水平和国际市场竞争力，提供了有力的技术支撑。

同时，半自动扭矩耦合装置还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便等特点。

附图说明

图1是本发明的半自动扭矩耦合装置结构示意图。

图2是本发明的半自动扭矩耦合装置a-a截面示意图。

图3是本发明的半自动扭矩耦合装置下壳体花键结构示意图。

图中：1-上壳体、2-防护装置、3-传压孔、4-压力传感装置、5-步进电机、6-肋板、7-传动轴、8-密封装置、9-旁通孔、10-密封装置、11-花键轴、12-轴承、13-密封装置、14-下壳体、15-花键导入体。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明。

参照附图1、图2和图3，半自动扭矩耦合装置主要由上壳体1、防护装置2、传压孔3、压力传感装置4、步进电机5、固定肋板6、传动轴7、密封装置8、旁通孔9、花键轴11、轴承12、下壳体14、花键导入体15组成。防护装置2固定在上壳体1内部，压力传感装置4、步进电机5安装在防护装置2内部，压力传感装置安装在步进电机5的上端，传动轴7安装在步进电机5的下端，防护装置2与上壳体1之间安装固定肋板6，防护装置2上部加工传压孔3，传动轴7连接在花键轴11上部，花键轴11与防护装置2之间安装密封装置8，花键轴11上加工旁通孔9，花键轴11与上壳体1之间安装密封装置10，上壳体1与下壳体14之间安装轴承12和密封装置13，下壳体14的花键上部加工花键导入体15。

在复杂结构井钻井过程中，半自动扭矩耦合装置根据钻井设计安装在钻具组合中，当在稳斜井段进行复合钻进时，地面操作人员利用钻井泵向钻具组合内输入具有压力脉冲频率特征的钻井液，钻井液进入半自动扭矩耦合装置时，依次经过防护装置2与上壳体1之间的环空、花键轴11旁通孔9、花键轴内部中心孔、下壳体14，然后流向下部钻具，最终达到井底钻头。

与此同时，钻井液中含有的压力脉冲信号经过传压孔传递至压力传感装置4，压力传感装置4接收到信号后，触发步进电机5转动，进而驱动传动轴7转动，由于传动轴7与花键轴11之间是螺旋副配合，因此花键轴11开始向下移动，在下壳体花键导入体15的导入作用下，花键轴11进入下壳体花键，花键轴11与上壳体1之间也是花键配合。花键轴11上部与防护装置2之间设计有防脱结构，当防脱结构接触时，即花键轴11下行至下止点，花键轴11与下壳体14花键之间实现完整配合，同时花键轴11上旁通孔9的过流面积被上壳体1内部构件遮挡而减小，但没有完全关闭，过流面积的减小会造成钻井液流动压力的增加，地面钻井泵压力升高，根据这个现象就能判断半自动扭矩耦合装置处于闭合状态，而上部钻具传递的扭矩就经过上壳体1、花键轴11、下壳体14三者之间构成的花键副传递至下部钻具，进而驱动钻头旋转破岩，且上部钻具的轴向力也通过上壳体1、上壳体1与下壳体14之间的轴承12、下壳体14传递至下部钻具直至钻头。

在导向井段进行滑动钻进时，按照相同的操作方法，只是操作人员利用钻井泵输入的钻井液中包含的压力信号不同，半自动扭矩耦合装置内的压力传感装置4接收到信号后，触发步进电机5驱动传动轴反向转动，带动花键轴11向上移动，当花键轴11上移至上止点时，花键轴11与下壳体14花键脱离，配合解除，花键轴11上的旁通孔9完全打开，钻井液流动压力降低，地面钻井泵压力减小，从而能够判断半自动扭矩耦合装置处于分离状态。由于上壳体1与下壳体14之间安装轴承12，因此上壳体1相对下壳体14可独立转动，即半自动扭矩耦合装置不能将上部钻具的扭矩传递至下部钻具，但仍能继续传递轴向力，此时上部钻具实现旋转钻进，而下部钻具实现滑动钻进，达到了既保持导向工具面稳定不变，又减小钻井摩擦阻力的目的。